12.Принцип частотного регулирования.

Принцип частотного метода регулирования скорости АД заключается в том, что, изменяя частоту питающего напряжения, можно в соответствии с выражением при неизменном числе пар полюсов изменять угловую скорость магнитного поля статора. Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью. Регулирование скорости при этом не сопровождается увеличением скольжения АД, поэтому потери мощности при регулировании невелики.

Для получения высоких энергетических показателей АД – коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности – необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение.

Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Mс . При постоянном моменте нагрузки Mс=const напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте Для вентиляторного характера момента нагрузки это состояние имеет вид , а при моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости –

Таким образом, для плавного бесступенчатого регулирования частоты вращения вала асинхронного электродвигателя, преобразователь частоты должен обеспечивать одновременное регулирование частоты и напряжения на статоре АД.

Преимущества использования регулируемого электропривода в технологических процессах: Применение регулируемого электропривода обеспечивает энергосбережение и позволяет получать новые качества систем и объектов. Значительная экономия электроэнергии обеспечивается за счет регулирования какого-либо технологического параметра.

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения

Так как частота вращения магнитного поля статора nо = 60f/р, то регулирование частоты вращения асинхронного двигателя можно производить изменением частоты питающего напряжения.

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряженияПринцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту питающего напряжения, можно в соответствии с выражением при неизменном числе пар полюсов р изменять угловую скорость nо магнитного поля статора.

Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью.

Для получения высоких энергетических показателей асинхронных двигателей (коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности) необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение. Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Мс. При постоянном моменте нагрузки напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте.

Схема частотного электропривода приведена на рис. 5, а механические характеристики АД при частотном регулировании — на рис. 6.

Схема частотного электропривода

Рис. 5. Схема частотного электропривода

Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании

Рис. 6. Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании

С уменьшением частоты f критический момент несколько уменьшается в области малых частот вращения. Это объясняется возрастанием влияния активного сопротивления обмотки статора при одновременном снижении частоты и напряжения.

Частотное регулирование скорости асинхронного двигателя позволяет изменять частоту вращения в диапазоне (20 - 30) : 1. Частотный способ является наиболее перспективным для регулирования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Потери мощности при таком регулировании невелики, поскольку минимальны потери скольжения.

частотные преобразователиБольшинство современных преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования. Они состоят из следующих основных частей: звена постоянного тока (неуправляемого выпрямителя), силового импульсного инвертора и системы управления.

Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в нем в напряжение постоянного тока.

Силовой трехфазный импульсный инвертор содержит шесть транзисторных ключей. Каждая обмотка электродвигателя подключается через соответствующий ключ к положительному и отрицательному выводам выпрямителя. Инвертор осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в трехфазное переменное напряжение нужной частоты и амплитуды, которое прикладывается к обмоткам статора электродвигателя.

В выходных каскадах инвертора в качестве ключей используются силовые IGBT-транзисторы. По сравнению с тиристорами они имеют более высокую частоту переключения, что позволяет вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы с минимальными искажениями. Регулирование выходной частоты Iвых и выходного напряжения осуществляется за счет высокочастотной широтно-импульсной модуляции.

13..Преобразователи частоты для регулируемого ЭП. Функциональная схема преобразователя частоты со звеном постоянного тока. Принцип работы преобразователя частоты: Преобразователь частоты (ПЧ) состоит из неуправляемого диодного силового выпрямителя В, автономного инвертора (АИН), системы управления СУИ ШИМ, системы автоматического регулирования (САР), дросселя Lв и конденсатора фильтра Cв. Регулирование выходной частоты f_вых и напряжения U_вых осуществляется в АИН за счет высокочастотного широтно-импульсного (ШИМ) управления.

Рис. 1. Упрощенная схема автономного инвертора с ШИМ

ШИМ характеризуется периодом модуляции, внутри которого обмотка статора ЭД подключается поочередно к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя.

Длительность этих состояний внутри периода ШИМ модулируется по синусоидальному закону. При высоких (обычно 2…15 кГц) тактовых частотах ШИМ, в обмотках электродвигателя, вследствие их фильтрующих свойств, текут синусоидальные токи.

Таким образом, форма кривой выходного напряжения представляет собой высокочастотную двухполярную последовательность прямоугольных импульсов (рис. 2). Частота импульсов определяется частотой ШИМ, длительность (ширина) импульсов в течение периода выходной частоты АИН промодулирована по синусоидальному закону. Форма кривой выходного тока (тока в обмотках асинхронного электродвигателя) практически синусоидальна. Регулирование выходного напряжения АИН можно осуществить двумя способами: амплитудным (АР) за счет изменения входного напряжения Uв и широтно-импульсным (ШИМ) за счет изменения программы переключения вентилей V1-V6 при Uв = const. Второй способ получил распространение в современных преобразователях частоты благодаря развитию современной элементной базы (микропроцессоры, IBGT-транзисторы). При ШИМ-модуляции форма токов в обмотках статора АД получается близкой к синусоидальной благодаря фильтрующим свойствам самих обмоток.

Рис. 2. Кривые напряжения и тока на выходе Рис. 3. Схема инвертора: И – трехфазный мостовой

инвертора с ШИМ инвертор; В – трехфазный мостовой выпрямитель;

С_ф – конденсатор фильтра

Современные инверторы выполняются на основе полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов – запираемых – тиристоров, либо биполярных - транзисторов с изолированным затвором. На рис. 3 представлена 3-х фазная мостовая схема автономного инвертора на - транзисторах. Она состоит из входного емкостного фильтра Cф и шести транзисторов V1-V6 включенными встречно-параллельно диодами обратного тока D1-D6. За счет поочередного переключения вентилей V1-V6 по алгоритму, заданному системой управления, постоянное входной напряжение Uв преобразуется в переменное прямоугольно-импульсное выходное напряжение. Через управляемые ключи V1-V6 протекает активная составляющая тока асинхронного электродвигателя АД, через диоды D1-D6 – реактивная составляющая тока АД.

14..Выбор ЭД по мощности для режима S1.

Продолжительный номинальный режим (S1) двигателя ха­рактеризуется неизменной нагрузкой в течение времени, за которое перегрев всех его частей достигает установившегося значения. Признаком режима S1 является выполнение усло­вия t >3T_н, где t — время работы двигателя. Работа в режиме S1 может происходить с постоянной или переменной цикличе­ской нагрузкой. При постоянной продолжительной нагрузке дополнительных расчетов по определению нагрева двигателя не требуется.

Так как двигатель выбирается по условию Р ≤ Р_НОМ, то выпол­няются условия

Р ≤ Р_НОМ и τ_max = τ_уст ≤ τ_доп

Мощность электродвигателя при постоянной длительной на­грузке определяется по формуле

Р = Р₁/(η_м η_п)

где Р₁ — нагрузка приводимой машины, кВт (задана или рас­считана по производительности рабочего механизма); η_м, η_п — КПД машины и передачи.

В соответствии с полученной мощностью Р по каталогу выбирают двигатель ближайшей мощности для длительного режима работы, который проверяют по пусковому моменту М_пуск:

М_пуск = μ_пуск М_ном ≥ (1,2…1,5) М_тр,

где М_пуск, М_ном — соответственно пусковой и номинальный мо­менты электродвигателя, Н • м; μ_пуск — кратность пускового момента; М_тр — момент трогания рабочей машины.

Если при продолжительном режиме нагрузка на валу двигателя не остается постоянной, то будут изменяться также его ток, момент и потери. Проверка двигателя в этом случае выполняется методами средних потерь или эквивалентных величин.

15 . Выбор ЭД по мощности для режима S2.

Кратковременный номинальный режим (S2) характеризуется чередованием периодов неизменной нагрузки с периодами отключения двигателя. При этом за время включения t превышение температуры не достигает установившегося уровня, а за время отключения t₀ все части двигателя охлаждаются до температуры окружающей среды. Стандартная продолжительность рабочего периода составляет 10, 30, 60 и 90 мин. Режим S2 соответствует условиям t <3T_ном, t >3T₀.

Если двигатель рассчитан на продолжительный режим работы, то при кратковременном режиме его следует перегружать для лучшего использования по мощности, так как к концу рабочего периода превышение температуры не достигнет установившегося значения. Возможность перегрузки определяется через коэффициенты термической и механической перегрузки. Коэффициентом термической перегрузки k_терм называется отношение потерь мощности при кратковременном режиме ∆Р_К к номинальным потерям ∆Р_НОМ. Для режима S2

,

Коэффициентом механической перегрузки k_мех называется отношение мощности нагрузки двигателя в кратковременном режиме (Р_к) к номинальной мощности Р_ном в продолжительном режиме:

k_мех = Р_к / Р_ном.

Коэффициент механической перегрузки может быть выра­жен с помощью коэффициента термической перегрузки:

,

где — коэффициент потерь (для АД α = 0,5...0,7).

Допустимая мощность

Р_доп = Р_экв / k_мех,

где Р_зкв — эквивалентная мощность за время работы:

.

Если Р_ДОП ≤ Р_НОМ, то двигатель проходит по условиям нагрева. Затем его проверяют по условиям пуска и преодоления макси­мальной нагрузки.